KR102670208B1 - 접합체 및 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
[과제] 탄성파 소자의 Q치 향상을 가능하게 하는 접합체를 제공한다.
[해결수단] 접합체(9A)는, 지지 기판(6), 압전성 재료 기판(1A) 및 지지 기판과 압전성 재료 기판 사이의 다층막(22)을 구비한다. 다층막(22)은, 제1층(3A), 제2층(7A), 제3층(3B) 및 제4층(7B)을 이 순서로 갖는 적층 구조(2)를 갖는다. 제1층(3A) 및 제3층(3B)이 규소 산화물로 이루어지고, 제2층(7A) 및 제4층(7B)이 금속 산화물로 이루어진다. 제2층(7A)의 굴절률이, 제1층(3A)의 굴절률 및 제3층(3B)의 굴절률보다도 높다. 제2층(7A)의 굴절률이, 제4층(7B)의 굴절률과 다르다.
[해결수단] 접합체(9A)는, 지지 기판(6), 압전성 재료 기판(1A) 및 지지 기판과 압전성 재료 기판 사이의 다층막(22)을 구비한다. 다층막(22)은, 제1층(3A), 제2층(7A), 제3층(3B) 및 제4층(7B)을 이 순서로 갖는 적층 구조(2)를 갖는다. 제1층(3A) 및 제3층(3B)이 규소 산화물로 이루어지고, 제2층(7A) 및 제4층(7B)이 금속 산화물로 이루어진다. 제2층(7A)의 굴절률이, 제1층(3A)의 굴절률 및 제3층(3B)의 굴절률보다도 높다. 제2층(7A)의 굴절률이, 제4층(7B)의 굴절률과 다르다.
Description
본 발명은, 압전성 재료 기판과 지지 기판의 접합체 및 탄성파 소자에 관한 것이다.
휴대전화 등에 사용되는 필터 소자나 발진자로서 기능시킬 수 있는 탄성 표면파 디바이스나, 압전 박막을 이용한 램파 소자나 박막 공진자(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator) 등의 탄성파 디바이스가 알려져 있다. 이러한 탄성파 디바이스로서는, 지지 기판과 탄성 표면파를 전파시키는 압전 기판을 맞붙여, 압전 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진(勵振)할 수 있는, 빗형 전극을 설치한 것이 알려져 있다. 이와 같이 압전 기판보다도 작은 열팽창 계수를 갖는 지지 기판을 압전 기판에 붙임으로써, 온도가 변화되었을 때의 압전 기판의 크기 변화를 억제하여, 탄성 표면파 디바이스로서의 주파수 특성의 변화를 억제하고 있다.
압전 기판과 실리콘 기판을 접합함에 있어서, 압전 기판 표면에 산화규소막을 형성하고, 산화규소막을 통해 압전 기판과 실리콘 기판을 직접 접합하는 것이 알려져 있다(특허문헌 1). 이 접합 시에는, 산화규소막 표면과 실리콘 기판 표면에 플라즈마 빔을 조사하여 표면을 활성화하여, 직접 접합을 행한다(플라즈마 활성화법).
또한, 소위 FAB(Fast Atom Beam: 고속 원자 빔) 방식의 직접 접합법이 알려져 있다(특허문헌 2). 이 방법에서는, 중성화 원자 빔을 상온에서 각 접합면에 조사하여 활성화하여, 직접 접합한다.
또한, 압전성 단결정 기판과 지지 기판 사이에, Ta2O5 등으로 이루어지는 중간층을 두어, 중간층과 지지 기판에 대하여 각각 중성화 빔을 조사함으로써 표면을 활성화하여, 직접 접합하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 3).
특허문헌 4에서는, 지지 기판과 압전성 재료 기판의 사이에 SiO2층이나 Ta2O5층을 복수 적층한 다층막을 설치한 구조가 제안되어 있다.
특허문헌 3의 탄성파 소자는, 중주파수용(0.7∼3.5 GHz의 4G용 등)에서는 Q치 등의 특성 개선이 보였다. 그러나, 고주파수용(3.5∼6 GHz의 5G용 등)에서는 Q치의 개선이 적다는 것을 알 수 있었다.
또한, 특허문헌 4의 기재와 같이, 지지 기판과 압전성 재료 기판의 사이에 SiO2/Ta2O5의 다층막을 삽입한 탄성파 소자에서는, 압전성 재료 기판으로부터 지지 기판으로 향해서 누설되는 탄성파를 다층막으로 반사하여, 손실 저감을 도모하고 있다. 그러나, 고주파수용(3.5∼6 GHz의 5G용 등)에서는, 이러한 탄성파 소자라도 Q치 향상이 반드시 충분하지는 않다는 것이 판명되었다.
본 발명의 과제는 탄성파 소자의 Q치 향상을 가능하게 하는 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명은, 접합체로서,
지지 기판,
압전성 재료 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료 기판 사이의 다층막을 구비하고,
상기 다층막이, 제1층, 제2층, 제3층 및 제4층을 이 순서로 갖는 적층 구조를 가지며,
상기 제1층 및 상기 제3층이 규소 산화물로 이루어지고, 상기 제2층 및 제4층이 금속 산화물로 이루어지며, 상기 제2층의 굴절률이, 상기 제1층의 굴절률 및 상기 제3층의 굴절률보다도 높고, 상기 제2층의 상기 굴절률이, 상기 제4층의 굴절률과 다른 것을 특징으로 하는 접합체에 관한 것이다.
본 발명은, 탄성파 소자로서,
상기 접합체, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 마련되는 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자에 관한 것이다.
본 발명자는, 특허문헌 4의 기재와 같이, 지지 기판과 압전성 재료 기판의 사이에 SiO2/Ta2O5의 다층막을 삽입한 탄성파 소자는, 고주파수용(3.5∼6 GHz의 5G용 등)에서는 Q치 향상이 반드시 충분하지는 않은 이유를 검토했다. 이 결과, 중주파(4G 등)용으로 적합한 다층막의 품질과 보다 고주파(5G 등)용으로 적합한 다층막의 품질이 다르기 때문에, 고주파 영역에서는 원하는 Q치를 얻기 어려운 것으로 추측했다.
본 발명자는, 이러한 추측에 기초하여, 제1층, 제2층, 제3층 및 제4층을 이 순서로 갖는 적층 구조를 다층막 내에 형성하고, 이때 제1층 및 제3층을 규소 산화물로 하고, 제2층 및 제4층을 규소 산화물보다도 굴절률이 높은 금속 산화물로 했다. 그런 다음, 금속 산화물로 이루어지는 제2층의 굴절률과 제4층의 굴절률을 다르게 함으로써 Q치가 더욱 개선되는 것을 알아냈다. 특히 고주파대(5G대)에서도 높은 Q치를 얻을 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명에 도달했다.
[도 1] (a)는 압전성 재료 기판(1) 상에 다층막(22)을 형성한 상태를 도시하고, (b)는 다층막(22) 상에 접합층(4)을 형성한 상태를 도시하며, (c)는 접합층(4)의 표면을 활성화한 상태를 도시한다.
[도 2] (a)는 지지 기판(6)의 표면을 활성화한 상태를 도시하고, (b)는 지지 기판과 압전성 재료 기판의 접합체(9)를 도시한다.
[도 3] (a)는 접합체(9A)의 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해서 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 접합체(9A)에 전극을 형성한 상태를 도시한다.
[도 4] (a)는 다층막 상에 형성한 접합층(4)과 지지 기판(6) 상에 형성한 접합층(14)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(9B)를 도시하고, (b)는 접합체(9B)의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(11)을 형성하여 얻어진 탄성파 소자(10B)를 도시한다.
[도 5] (a)는 다층막(22)과 지지 기판(6)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(9C)를 도시하고, (b)는 접합체(9C)의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극을 형성한 상태를 도시한다.
[도 6] 제4층의 굴절률과 제2층의 굴절률이 다른 경우의 광학 엘립소메트리(편광 해석법)에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
[도 7] 제2층 및 제4층의 굴절률이 같고 또한 상대적으로 낮은 경우의 광학 엘립소메트리에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
[도 8] 제2층 및 제4층의 굴절률이 같고 또한 상대적으로 높은 경우의 광학 엘립소메트리에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
[도 2] (a)는 지지 기판(6)의 표면을 활성화한 상태를 도시하고, (b)는 지지 기판과 압전성 재료 기판의 접합체(9)를 도시한다.
[도 3] (a)는 접합체(9A)의 압전성 재료 기판(1A)을 가공에 의해서 얇게 한 상태를 도시하고, (b)는 접합체(9A)에 전극을 형성한 상태를 도시한다.
[도 4] (a)는 다층막 상에 형성한 접합층(4)과 지지 기판(6) 상에 형성한 접합층(14)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(9B)를 도시하고, (b)는 접합체(9B)의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(11)을 형성하여 얻어진 탄성파 소자(10B)를 도시한다.
[도 5] (a)는 다층막(22)과 지지 기판(6)을 직접 접합하여 얻어진 접합체(9C)를 도시하고, (b)는 접합체(9C)의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극을 형성한 상태를 도시한다.
[도 6] 제4층의 굴절률과 제2층의 굴절률이 다른 경우의 광학 엘립소메트리(편광 해석법)에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
[도 7] 제2층 및 제4층의 굴절률이 같고 또한 상대적으로 낮은 경우의 광학 엘립소메트리에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
[도 8] 제2층 및 제4층의 굴절률이 같고 또한 상대적으로 높은 경우의 광학 엘립소메트리에 의한 굴절률 분포를 도시하는 차트이다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1(a)에 도시하는 것과 같이, 압전성 재료 기판(1)은, 한 쌍의 표면(1a와 1b)을 갖는다. 이 중 한쪽의 표면(1a)에 다층막(22)을 성막한다. 본 예에서는, 다층막(22)은, 압전성 재료 기판(1) 상에 예컨대 2개의 적층 구조(2)를 형성함으로써 얻어진다. 각 적층 구조(2)는, 압전성 재료 기판(1) 측에서 봤을 때, 제1층(3A), 제2층(7A), 제3층(3B), 제4층(7B)을 교대로 형성한 구조로 되어 있다. 또, 본 예서는, 압전성 재료 기판 측에서부터 제1층, 제2층, 제3층, 제4층을 순차 적층하고 있지만, 압전성 재료 기판(1) 측에서 봤을 때 제4층, 제3층, 제2층, 제1층을 순차적층할 수도 있다.
도 1(b)에 도시하는 것과 같이, 다층막(22)의 표면(22a)에 접합층(4)을 더 설치할 수 있다. 이 경우에는, 도 1(c)에 도시하는 것과 같이, 접합층(4)의 표면에 대하여 화살표 A와 같이 중성화 빔을 조사함으로써 접합층(4)의 표면을 활성화하여 활성화면(5)으로 할 수 있다.
한편, 도 2(a)에 도시하는 것과 같이, 지지 기판(6)의 표면에 대하여, 화살표 B와 같이 중성화 빔을 조사함으로써 지지 기판(6)의 표면을 활성화하여 활성화면(6a)으로 한다. 이어서, 도 2(b)에 도시하는 것과 같이, 접합층(4)의 활성화면(5)과 지지 기판(6)의 활성화면(6a)을 직접 접촉시켜 압력을 가함으로써, 도 2(b)에 도시하는 것과 같이 접합체(9)를 얻는다. 화살표 C는 접합 경계이다.
바람직한 실시형태에서는, 접합체(9)의 압전성 재료 기판(1)의 표면(1b)을 더욱 연마 가공하여, 도 3(a)에 도시하는 것과 같이 압전성 재료 기판(1A)의 두께를 작게 하여, 접합체(9A)를 얻는다. 1c는 연마면이다. 도 3(b)에서는, 압전성 재료 기판(1A)의 연마면(1c) 상에 소정의 전극(11)을 형성함으로써 탄성파 소자(10A)를 제작하고 있다.
바람직한 실시형태에서는, 지지 기판 상에도 접합층(14)을 형성하여, 다층막 상의 접합층과 직접 접합한다. 이에 따라, 도 4(a)에 도시하는 것과 같은 접합체(9B)를 얻을 수 있다. 접합 경계를 화살표 C에 의해서 나타낸다. 도 4(b)에 도시하는 것과 같이, 이 접합체의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(11)을 설치함으로써 탄성파 소자(10B)를 얻을 수 있다.
또한, 바람직한 실시형태에서는, 지지 기판과 다층막을 직접 접합한다. 이에 따라, 도 5(a)에 도시하는 것과 같은 접합체(9C)를 얻을 수 있다. 접합 경계를 화살표 C에 의해서 나타낸다. 도 5(b)에 도시하는 것과 같이, 이 접합체의 압전성 재료 기판(1A) 상에 전극(11)을 설치함으로써 탄성파 소자(10C)를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 지지 기판과 압전성 재료 기판의 사이에 마련되는 다층막은, 제1층, 제2층, 제3층 및 제4층을 이 순서로 갖는 적층 구조를 가지며, 제1층 및 제3층이 규소 산화물로 이루어지고, 제2층 및 제4층이 금속 산화물로 이루어지며, 제2층의 굴절률이, 제1층의 굴절률 및 제3층의 굴절률보다도 높고, 제2층의 굴절률과 제4층의 굴절률이 다르게 한다. 제1층, 제2층, 제3층 및 제4층은, 지지 기판 측으로부터 압전성 재료 기판 측으로 향해서 이 순서로 배열되어 있어도 좋고, 혹은 압전성 재료 기판 측으로부터 지지 기판 측으로 향해서 이 순서로 배열되어 있어도 좋다.
제1층 및 제3층을 구성하는 규소 산화물은, 바람직하게는 SiOx(1.80≤x≤2.50)의 조성을 갖는다.
또한, 제2층 및 제4층을 구성하는 금속 산화물은 특별히 한정되지 않지만, Q치 향상의 관점에서는, 하프늄 산화물, 탄탈 산화물 또는 지르코늄 산화물인 것이 특히 바람직하다.
여기서, 하프늄 산화물의 조성은, HfOz(1.80≤z≤2.50)인 것이 바람직하다. 탄탈 산화물의 조성은, Ta2Oy(4.60≤y≤5.50)인 것이 바람직하다. 또한, 지르코늄 산화물의 조성은, ZrOz(1.80≤z≤2.50)인 것이 바람직하다.
바람직한 실시형태에서는, 다층막이 복수의 상기 적층 구조를 갖는다. 이에 따라 굴절률 변조가 유효하게 되어, Q치가 한층 더 효과적으로 향상된다. 다층막이 갖는 적층 구조의 수는, 2 이상이 바람직하다. 단, 적층 구조의 수가 지나치게 많아지면, 지지 기판에 의한 압전성 재료 기판의 구속 효과가 적어지기 때문에, 적층 구조의 수는, 5 이하가 바람직하고, 3 이하가 더욱 바람직하다.
본 발명의 관점에서는, 제2층의 굴절률과 제1층의 굴절률과의 차, 제3층의 굴절률과의 차는, 0.2 이상인 것이 바람직하고, 0.3 이상인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 제2층의 굴절률과 제1층의 굴절률과의 차, 제3층의 굴절률과의 차는, 0.8 이하인 것이 바람직하고, 0.6 이하인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 관점에서는, 제4층의 굴절률과 제2층의 굴절률과의 차를 0.02 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.03 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 이 차는, 0.10 이하로 하는 것이 바람직하다.
제1층, 제3층은, 규소 산화물로 이루어지지만, 굴절률은 통상 1.40∼1.58이다. 제1층의 굴절률과 제3층의 굴절률은 대략 동일하게 하는 것이 바람직하고, 이 관점에서는, 제1층의 굴절률과 제3층의 굴절률의 차는, 0.01 이하인 것이 바람직하다. 단, 제1층의 굴절률과 제3층의 굴절률의 사이에 차이를 둠으로써 Q치를 더욱 향상시킬 수도 있기 때문에, 이 관점에서는, 제1층과 제3층의 굴절률의 차를 0.02 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.03 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 그러나, 이 차는, 0.10 이하로 하는 것이 바람직하다.
각 층의 굴절률은 이하의 조건으로 측정하는 것으로 한다.
고속 분광 엘립소미터로 이하의 장치 및 측정 조건으로 측정을 실시했다.
「장치」
M-2000(J.A.Woollam사 제조), 회전 보상자 타입
「측정 조건」
입사각: 65, 70, 75도
측정 파장: 195∼1680 nm
빔 직경: 2 mm×8 mm
그 후, 이하의 해석을 실시했다.
「해석 모델」
금속 산화물/규소 산화물/금속 산화물/규소 산화물/금속 산화물/규소 산화물/금속 산화물/규소 산화물/기판
「해석 방법」
측정된 Δ(위상차)와 Φ(진폭 반사율)의 스펙트럼을 상기 해석 모델로부터 산출된 (Δ,Φ)와 비교하여, 측정치(Δ,Φ)에 근접하도록 유전 함수나 막 두께를 변화시켜 피팅을 행한다. 각각의 막의 광학 상수는, 단층 성막 시의 레퍼런스로부터 얻어진 값을 초기치로 했다. 측정치와 이론치가 베스트 피트(평균 제곱 오차가 최소로 수속)한 결과로써 굴절률의 파장 분산을 얻는다.
제1층의 두께, 제2층의 두께, 제3층의 두께 및 제4층의 두께는 각각, 20 nm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 100 nm 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 한편, 각 층의 두께가 지나치게 두껍게 되면 지지 기판에 의한 압전성 재료 기판의 구속이 약해지기 때문에, 이러한 관점에서는, 각 층의 두께는, 300 nm 이하가 바람직하다.
다층막을 구성하는 제1층, 제2층, 제3층, 제4층의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다. 예컨대 스퍼터링의 경우에는, 바이어스 전압의 유무에 의해서 제2층의 굴절률과 제4층의 굴절률을 변화시킬 수 있다. 즉, 바이어스 전압을 인가함으로써 금속 산화물층의 굴절률을 상대적으로 높게 할 수 있고, 바이어스 전압을 인가하지 않음으로써 동일한 금속 산화물층의 굴절률을 낮게 할 수 있다. 또한, 이온 어시스트 증착의 경우는, 어시스트 에너지에 의해서 각 층의 굴절률을 조정할 수 있다. 즉, 어시스트 에너지를 크게 함으로써 금속 산화물층의 굴절률을 상대적으로 높게 할 수 있고, 어시스트 에너지를 작게 함으로써 동일한 금속 산화물층의 굴절률을 낮게 할 수 있다.
다층막을 구성하는 각 층의 구체적인 제조 조건은, 챔버 사양에 따라 다르기 때문에 적절하게 선택하는데, 바람직한 예에서는, 전압력을 0.28∼0.34 Pa로 하고, 산소 분압을 1.2×10-3∼5.7×10-2 Pa로 하며, 성막 온도를 상온으로 한다.
바람직한 실시형태에서는, 압전성 재료 기판과 지지 기판의 사이에 한 층 또는 여러 층의 접합층을 형성할 수 있다. 이러한 접합층의 재질로서는 이하의 것을 예시할 수 있다.
Si(1-v)Ov, Ta2O5, Al2O3, Nb2O5, TiO2.
더욱 바람직한 실시형태에서는, 지지 기판과 압전성 재료 기판의 사이에 형성되는 상기 접합층이, Si(1-v)Ov(0.008≤v≤0.408)의 조성을 갖는다.
이 조성은, SiO2(v=0.667에 대응한다)와 비교하여 산소 비율이 꽤 낮게 되어 있는 조성이다. 이러한 조성의 규소 산화물 Si(1-v)Ov로 이루어지는 접합층을 추가로 개재시킴으로써, 접합층에 있어서의 절연성을 더욱 높일 수 있다.
각 접합층을 구성하는 Si(1-v)Ov의 조성에 있어서, v가 0.008 미만이면, 접합층에 있어서의 전기 저항이 낮아진다. 이 때문에, v를 0.008 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.010 이상이 더욱 바람직하고, 0.020 이상이 특히 바람직하고, 0.024 이상이 특히 바람직하다. 또한 v를 0.408 이하로 함으로써, 접합 강도가 더욱 향상되기 때문에, v를 0.408 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.225 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
각 접합층의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 제조 비용의 관점에서는, 0.01∼10 ㎛가 바람직하고, 0.01∼0.5 ㎛가 더욱 바람직하다.
각 접합층의 성막 방법은 한정되지 않지만, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 기상 성장법(CVD), 증착을 예시할 수 있다. 여기서, 특히 바람직하게는, 스퍼터 타켓을 Si로 한 반응성 스퍼터링 시에, 챔버 내에 흘리는 산소 가스의 양을 조정함으로써, 각 접합층의 산소 비율(v)을 컨트롤할 수 있다.
각 접합층의 구체적인 제조 조건은 챔버 사양에 따라 다르기 때문에 적절하게 선택하는데, 바람직한 예에서는, 전압력을 0.28∼0.34 Pa로 하고, 산소 분압을 1.2×10-3∼5.7×10-2 Pa로 하고, 성막 온도를 상온으로 한다. 또한, Si 타겟으로서는 B 도핑 Si를 예시할 수 있다.
접합층의 산소 농도는, EDS에 의해서 이하의 조건으로 측정한다.
측정 장치:
원소 분석 장치(닛폰덴시 JEM-ARM200F)를 이용하여 원소 분석을 행한다.
측정 조건:
FIB(집속 이온 빔)법으로 박편화(薄片化)한 샘플에 대하여 가속 전압 200 kV으로 관찰한다.
본 발명에서는, 지지 기판은 단결정으로 이루어져 있어도 좋고, 다결정으로 이루어져 있어도 좋다. 지지 기판의 재질은, 바람직하게는 실리콘, 사이알론, 사파이어, 코디어라이트, 멀라이트 및 알루미나로 이루어지는 군에서 선택된다. 알루미나는 바람직하게는 투광성 알루미나이다.
실리콘은, 단결정 실리콘이라도 다결정 실리콘이라도 좋고, 또한 고저항 실리콘이라도 좋다.
사이알론은, 질화규소와 알루미나의 혼합물을 소결하여 얻어지는 세라믹스이며, 이하와 같은 조성을 갖는다.
Si6-wAlwOwN8-w
즉, 사이알론은, 질화규소 중에 알루미나가 혼합된 조성을 가지고 있으며, w가 알루미나의 혼합 비율을 나타내고 있다. w는 0.5 이상이 더욱 바람직하다. 또한, w는 4.0 이하가 더욱 바람직하다.
사파이어는 Al2O3의 조성을 갖는 단결정이고, 알루미나는 Al2O3의 조성을 갖는 다결정이다. 코디어라이트는 2MgO·2Al2O3·5SiO2의 조성을 갖는 세라믹스이다. 멀라이트는 3Al2O3·2SiO2∼2Al2O3·SiO2 범위의 조성을 갖는 세라믹스이다.
압전성 재료 기판의 재질은, 필요한 압전성을 갖는 한 한정되지 않지만, LiAO3의 조성을 갖는 단결정이 바람직하다. 여기서, A는 니오븀 및 탄탈로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소이다. 이 때문에, LiAO3은 니오븀산리튬이라도 좋고, 탄탈산리튬이라도 좋고, 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체(固溶體)라도 좋다.
이하, 본 발명의 각 구성 요소에 관해서 더욱 설명한다.
본 발명 접합체의 용도는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 탄성파 소자나 광학 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
탄성파 소자로서는, 탄성 표면파 디바이스나 램파 소자, 박막 공진자(FBAR) 등이 알려져 있다. 예컨대 탄성 표면파 디바이스는, 압전성 재료 기판의 표면에 탄성 표면파를 여진하는 입력 측의 IDT(Interdigital Transducer) 전극(빗형 전극, 발형 전극이라고도 한다)과 탄성 표면파를 수신하는 출력 측의 IDT 전극을 설치한 것이다. 입력 측의 IDT 전극에 고주파 신호를 인가하면, 전극 사이에 전계가 발생하고, 탄성 표면파가 여진되어 압전성 재료 기판 위를 전파해 나간다. 그리고, 전파 방향으로 설치된 출력 측의 IDT 전극으로부터, 전파된 탄성 표면파를 전기 신호로서 빼낼 수 있다.
압전성 재료 기판의 바닥면에 금속막을 가지고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 램파 소자를 제조했을 때에, 압전성 재료 기판의 이면 근방의 전기 기계 결합 계수를 크게 하는 역할을 한다. 이 경우, 램파 소자는, 압전성 재료 기판의 표면에 빗살 전극이 형성되고, 지지 기판에 형성된 캐비티에 의해서 압전성 재료 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 금 등을 들 수 있다. 또한, 램파 소자를 제조하는 경우, 바닥면에 금속막을 갖지 않는 압전성 재료층을 갖춘 복합 기판을 이용하여도 좋다.
또한, 압전성 재료 기판의 바닥면에 금속막과 절연막을 가지고 있어도 좋다. 금속막은, 탄성파 디바이스로서 박막 공진자를 제조했을 때에, 전극 역할을 한다. 이 경우, 박막 공진자는, 압전성 재료 기판의 표리면에 전극이 형성되고, 절연막을 캐비티로 함으로써 압전성 재료 기판의 금속막이 노출된 구조가 된다. 이러한 금속막의 재질로서는 예컨대 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 절연막의 재질로서는, 예컨대 이산화규소, 인 실리카 유리, 보론 인 실리카 유리 등을 들 수 있다.
또한, 광학 소자로서는, 광스위칭 소자, 파장 변환 소자, 광변조 소자를 예시할 수 있다. 또한, 압전성 재료 기판 중에 주기 분극 반전 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 대상이 탄성파 소자이고, 압전성 재료 기판의 재질이 탄탈산리튬인 경우에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로 Y축에서 Z축으로 123∼133°(예컨대 128°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이, 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다.
또한, 압전성 재료 기판이 니오븀산리튬으로 이루어지는 경우에는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X축을 중심으로 Y축에서 Z축으로 86∼94°(예컨대 90°) 회전한 방향의 것을 이용하는 것이, 전파 손실이 작기 때문에 바람직하다. 더욱이, 압전성 재료 기판의 크기는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 직경 50∼150 mm, 두께가 0.2∼60 ㎛이다.
본 발명의 접합체를 얻기 위해서는 이하의 방법이 바람직하다.
우선, 접합해야 할 표면(다층막의 표면, 접합층의 표면, 압전성 재료 기판의 표면, 지지 기판의 표면)을 평탄화하여 평탄면을 얻는다. 여기서, 각 표면을 평탄화하는 방법은, 랩(lap) 연마, 화학 기계 연마 가공(CMP) 등이 있다. 또한, 평탄면은 Ra≤1 nm가 바람직하고, 0.3 nm 이하로 하면 더욱 바람직하다.
이어서, 연마제의 잔사나 가공 변질층을 제거하기 위해서, 각 접합층의 각 표면을 세정한다. 표면을 세정하는 방법은, 웨트 세정, 드라이 세정, 스크럽 세정 등이 있지만, 간편하면서 또한 효율적으로 청정한 표면을 얻기 위해서는, 스크럽 세정이 바람직하다. 이때는, 세정액으로서 선워시 LH540을 이용한 후에, 아세톤과 IPA의 혼합 용액을 이용하여 스크럽 세정기로 세정하는 것이 특히 바람직하다.
이어서, 각 접합면에 중성화 빔을 조사함으로써 각 접합면을 활성화한다.
중성화 빔에 의한 표면 활성화를 행할 때는, 특허문헌 2에 기재된 것과 같은 장치를 사용하여 중성화 빔을 발생시켜 조사하는 것이 바람직하다. 즉, 빔원으로서, 새들필드형 고속 원자빔원을 사용한다. 그리고, 챔버에 불활성 가스를 도입하고, 전극에 직류 전원으로부터 고전압을 인가한다. 이에 따라, 전극(정극)과 하우징(부극)의 사이에 생기는 새들필드형 전계에 의해 전자 e가 운동하여, 불활성 가스에 의한 원자와 이온의 빔이 생성된다. 그리드에 달한 빔 중, 이온 빔은 그리드로 중화되기 때문에, 중성 원자의 빔이 고속 원자 빔원으로부터 출사(出射)된다. 빔을 구성하는 원자종은, 불활성 가스(아르곤, 질소 등)가 바람직하다.
빔 조사에 의한 활성화 시의 전압은, 0.5∼2.0 kV로 하는 것이 바람직하고, 전류는 50∼200 mA로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 진공 분위기에서 활성화된 접합면끼리를 접촉시켜 접합한다. 이때의 온도는 상온이지만, 구체적으로는 40℃ 이하가 바람직하고, 30℃ 이하가 더욱 바람직하다. 또한, 접합 시의 온도는, 20℃ 이상 25℃ 이하가 특히 바람직하다. 접합 시의 압력은, 100∼20000 N이 바람직하다.
실시예
(예비 실험)
맨 처음, 압전성 재료 기판 상에 산화규소층이나 산화하프늄층을 성막하여, 이하와 같은 각 층을 얻을 수 있는 성막 조건을 기록했다. 단, 하프늄 산화물층의 굴절률을 조절하기 위해서 바이어스 전압을 이하와 같이 조절했다.
규소 산화물층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.52
하프늄 산화물층(HfO2): 바이어스 전압 100 V: 두께 150 nm, 굴절률 2.07
하프늄 산화물층(HfO2): 바이어스 전압 200 V: 두께 150 nm, 굴절률 2.12
하프늄 산화물층(HfO2): 바이어스 전압 400 V: 두께 150 nm, 굴절률 2.15
(실시예 A1)
이어서, 도 1∼도 3을 참조하면서 설명한 방법에 의해 탄성 표면파 소자를 시작(試作)했다.
구체적으로는, OF부를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 250 ㎛인 탄탈산리튬 기판(LT 기판)을 압전성 재료 기판(1)으로서 사용했다. LT 기판은, 탄성 표면파(SAW)의 전파 방향을 X로 하고, 컷팅 앵글이 회전 Y 컷트판인 128° Y 컷트 X 전파 LT 기판을 이용했다. 압전성 재료 기판(1)의 표면(1a)은, 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.3 nm가 되도록 경면 연마해 두었다. 단, Ra는 원자간력 현미경(AFM)에 의해서 10 ㎛×10 ㎛의 시야에서 측정한다.
이어서, 압전성 재료 기판(1) 상에, 스퍼터링법에 의해서, 적층 구조(2)를 2개 순차 형성하여, 다층막(22)을 얻었다. 단, 압전성 재료 기판 상에는, 우선 산화규소로 이루어지는 제1층을 성막하고, 제2층, 제3층, 제4층을 순차 성막했다. 각 층의 두께 및 굴절률은, 예비 실험에 따라서 이하와 같이 되도록 조절했다.
제1층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제2층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.12
제3층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제4층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.07
이어서, 다층막(22) 상에 접합층(4)을 성막했다. 구체적으로는, 직류 스퍼터링법을 사용하고, 타겟에는 보론 도핑의 Si를 사용했다. 또한, 산소원으로서 산소 가스를 도입했다. 이때, 산소 가스 도입량을 조절함으로써, 챔버 내 분위기의 전압력과 산소 분압을 조절했다. 접합층(4)의 두께는 50 nm로 했다. 접합층(4) 표면의 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.2∼0.6 nm였다. 이어서, 접합층(4)을 화학 기계 연마 가공(CMP)하여, 막 두께를 80∼190 nm로 하고, Ra를 0.08∼0.4 nm로 했다.
한편, 지지 기판(6)으로서, 오리엔테이션 플랫(OF)부를 가지며, 직경이 4 인치, 두께가 500 ㎛인 실리콘으로 이루어지는 지지 기판(6)을 준비했다. 지지 기판(6)의 표면은 화학 기계 연마 가공(CMP)에 의해서 마무리 가공되었고, 산술 평균 거칠기(Ra)는 0.2 nm로 되었다.
이어서, 접합층(4)의 표면 및 지지 기판(6)인 Si 기판 표면에 중성화 빔을 조사함으로써 표면을 활성화하여 직접 접합했다.
구체적으로는, 접합층(4)의 표면과 지지 기판(6)의 표면을 세정하여, 오염물을 닦은 후, 진공 챔버에 도입했다. 10-6 Pa대까지 진공 상태로 한 후, 각 표면에 고속 원자 빔(가속 전압 1 kV, Ar 유량 27 sccm)을 120 sec 동안 조사했다. 이어서, 접합층(4)의 빔 조사면(활성화면)과 지지 기판(6)의 활성화면을 접촉시킨 후, 10000 N으로 2분간 가압하여 접합했다. 이어서, 얻어진 각 예의 접합체를 100℃에서 20시간 가열했다. 얻어진 접합체를 광학 엘립소메트리에 의해서 측정하여, 도 6에 도시하는 것과 같은 굴절률 차트를 얻었다.
이어서, 압전성 재료 기판(1)의 표면을 두께가 당초의 250 ㎛에서 1 ㎛가 되도록 연삭 및 연마했다. 이어서, 측정용 전극 패턴을 형성하여, 탄성 표면파 소자를 얻었다. 그리고, 주파수 5.5 GHz에서의 Q치를 측정하여, 표 1에 나타낸다.
단, Q치는 이하와 같이 하여 측정했다.
웨이퍼 상에 표면 탄성파 공진자를 작성하고, 네트워크 분석기(network analyzer)를 이용하여 주파수 특성을 측정했다. 이로써 얻어진 주파수 특성으로부터 공진 주파수 fr 및 그 반치폭 Δfr을 산출하여 fr/Δfr를 구함으로써 Q치를 얻었다.
(실시예 A2)
실시예 A1과 같은 식으로 하여 접합체 및 탄성 표면파 소자를 얻었다. 단, 다층막을 구성하는 각 층은 이하와 같이 조절했다. 얻어진 소자에 관해서, 주파수 5.5 GHz에서의 Q치를 측정하여, 표 1에 나타낸다.
제1층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제2층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.15
제3층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제4층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.05
(비교예 A1)
실시예 A1과 같은 식으로 하여 접합체 및 탄성 표면파 소자를 얻었다. 단, 다층막을 구성하는 각 층은 이하와 같이 조절했다. 얻어진 접합체를 광학 엘립소메트리에 의해서 측정하여, 도 7에 도시하는 것과 같은 굴절률 차트를 얻었다. 또한, 얻어진 소자에 관해서, 주파수 5.5 GHz에서의 Q치를 측정하여, 표 1에 나타낸다.
제1층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제2층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.07
제3층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제4층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.07
(비교예 A2)
실시예 A1과 같은 식으로 하여 접합체 및 탄성 표면파 소자를 얻었다. 단, 다층막을 구성하는 각 층은 이하와 같이 조절했다. 얻어진 접합체를 광학 엘립소메트리에 의해서 측정하여, 도 8에 도시하는 것과 같은 굴절률 차트를 얻었다. 또한, 얻어진 소자에 관해서, 주파수 5.5 GHz에서의 Q치를 측정하여, 표 1에 나타낸다.
제1층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제2층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.12
제3층(SiO2): 두께 150 nm, 굴절률 1.53
제4층(HfO2): 두께 150 nm, 굴절률 2.12
표 1에 나타내는 것과 같이, 비교예 A1에서는, 제2층, 제4층의 굴절률을 낮게 조절했지만, 도 7에 도시하는 것과 같이, 제2층, 제4층의 굴절률이 예비 실험에서 얻어진 굴절률과 같은 정도였다.
비교예 A2에서는, 제2층, 제4층의 굴절률을 높게 조절했지만, 도 8에 도시하는 것과 같이, 제2층, 제4층의 굴절률이 예비 실험에서 얻어진 굴절률과 같은 정도였다. 또한, Q치는, 비교예 A1에 있어서의 Q치와 같으며, 굴절률을 높임으로 인한 효과는 보이지 않았다.
실시예 A1에서는, 도 6에 도시하는 것과 같은 굴절률 분포가 얻어졌다.
더욱이, 표 1에 나타내는 것과 같이, Q치가 기준치에 대하여 20%나 향상되었음이 판명되었다.
실시예 A2에서도 제2층의 굴절률과 제4층의 굴절률을 변화시켰지만, 도 6과 유사한 두께 방향에서 본 굴절률 변조가 관찰되었다.
더욱이, 표 1에 도시하는 것과 같이, Q치가 기준치에 대하여 크게 향상되었음이 판명되었다.
(실시예 B1, B2, 비교예 B1, B2)
실시예 A1, A2, 비교예 A1, A2에 있어서, 제2층의 재질을 HfO2에서 Ta2O5로 변경했다. 그리고, 얻어진 소자에 관해서 Q치를 측정한 바, 실시예 A1, A2, 비교예 A1, A2와 같은 결과가 얻어졌다.
(실시예 C1, C2, 비교예 C1, C2)
실시예 A1, A2, 비교예 A1, A2에 있어서, 제2층의 재질을 HfO2에서 ZrO2로 변경했다. 그리고, 얻어진 소자에 관해서 Q치를 측정한 바, 실시예 A1, A2, 비교예 A1, A2와 같은 결과가 얻어졌다.
Claims (9)
- 접합체로서,
지지 기판,
압전성 재료 기판, 및
상기 지지 기판과 상기 압전성 재료 기판 사이의 다층막
을 구비하고,
상기 다층막이, 제1층, 제2층, 제3층 및 제4층을 이 순서로 갖는 적층 구조를 가지며,
상기 제1층 및 상기 제3층이 규소산화물로 이루어지고, 상기 제2층 및 제4층이 동일한 금속산화물로 이루어지며, 상기 제2층의 굴절률이, 상기 제1층의 굴절률 및 상기 제3층의 굴절률보다도 높고, 상기 제2층의 상기 굴절률이, 상기 제4층의 굴절률과 다른 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항에 있어서,
상기 다층막이 복수의 상기 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속 산화물이, 하프늄 산화물, 탄탈 산화물 또는 지르코늄 산화물인 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2층의 상기 굴절률과 상기 제1층의 상기 굴절률의 차가 0.3∼0.8인 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2층의 상기 굴절률과 상기 제4층의 상기 굴절률의 차가 0.02 이상인 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1층의 두께, 상기 제2층의 두께, 상기 제3층의 두께 및 상기 제4층의 두께가 각각, 20 nm 이상, 300 nm 이하인 것을 특징으로 하는 접합체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 압전성 재료 기판과 상기 지지 기판의 사이에, Si(1-v)Ov(0.008≤v≤0.408)의 조성을 갖는 접합층을 구비하는 것을 특징으로 하는 접합체. - 탄성파 소자로서,
제1항 또는 제2항에 기재한 접합체, 및
상기 압전성 재료 기판 상에 형성되는 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 소자. - 제8항에 있어서,
주파수 3.5∼6 GHz의 탄성파용인 것을 특징으로 하는 탄성파 소자.
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